[发明专利]基于生物社会力的异构无人机集群目标跟踪系统及方法

摘要

本发明公开基于生物社会力的异构无人机集群目标跟踪系统及方法，该目标跟踪系统包括集群硬件系统架构、集群软件系统架构、集群通信系统架构、集群飞行管理和控制系统。该方法步骤如下：一、无人机状态建模；二、一致性协议的设计；三、基于相位差一致算法的无人机控制指令设计；四、基于非线性导引的轨迹跟踪；五、基于生物社会力的异构无人机集群系统描述；六、基于生物社会力的异构无人机集群目标跟踪。本发明的优点在于：实现异构无人机集群的目标跟踪；提高控制无人机逐渐收敛到期望路径的速度。整个目标跟踪系统系统完整，功能完善，可以实现对不同任务场景目标的验证。

主权项

1.一种基于生物社会力的异构无人机集群目标跟踪系统，其特征在于：该目标跟踪系统4部分组成，分别为：集群硬件系统架构、集群软件系统架构、集群通信系统架构、集群飞行管理和控制系统；A集群硬件系统架构：主要由四旋翼机体、动力系统、顶层任务计算机、底层飞行控制器、感知环境信息的传感器、负责监控的地面站以及通信设备构成；四旋翼机体选用猛禽四旋翼机架，轴距650mm，其动力系统由四组电机、电子调速器和桨叶组成；整个系统采用型号为4000mAh航模理电池供电，采用分电板和稳压模块分别给飞行控制器和动力系统、任务计算机供电，通信设备和传感器由与其连接的控制板进行供电；集群硬件系统中的控制器为两层的架构，即顶层任务计算机和底层飞行控制器，所述的顶层任务计算机为安装了Linux操作系统的单板计算机，作为任务处理器，安装机器人操作系统ROS，在ROS环境中进行多无人机协调算法和通信程序的编写；所述的底层飞行控制器为Pixhawk开源飞行控制器，作为自动驾驶仪负责无人机的本体控制；机载的各种传感器，负责感知环境信息，为无人机的控制系统提供反馈，包括三轴加速度计、微型陀螺仪、磁力计、GPS，为无人机提供位置和姿态信息；顶层任务计算机作为多机协调控制的大脑，可加载单机自主控制及多级协同控制程序，在无人机集群控制中，要为每架无人机上装配一台任务计算机，通过无线通信设备与无线自组织网络配合，实现多机的分布式控制；任务计算机上运动Ubuntu系统，配置ROS环境，任务机上通信、协同控制程序均以ROS节点的形式运行；飞行控制器Pixhawk负责无人机的本体控制，为无人机提供自动驾驶仪的功能；在飞行控制器板上集成了微处理器、传感器和外设接口；地面站和数据通信设备负责无人机与地面工作人员之间、无人机之间的通信交流；共有三套通信模块，一套由无线数据传输模块组成，负责在紧急情况下接管无人机；另外一套由无线自组织网络组成，负责多无人机之间的状态、指令的发送和接收；还有一套为遥控器WFT‑OSII和WFR09S接收机，用于手动飞行、紧急状态下的干预；B集群软件系统架构：飞行控制器负责底层的姿态控制，任务管理计算机作为自主性载荷，实现顶层的任务规划和协调任务；自主载荷的软件部分，全部运行在ROS的框架之下，各部分通过ROS消息进行内部通信，任务计算机‑飞行控制器通信节点作为飞行控制器和ROS通信的接口，自组织网络通信节点负责无人机与无人机之间以及无人机与地面站之间的通信；C集群通信系统架构：多无人机系统的通信模块由机内通信和机间通信两部分构成；机内通信一方面将飞行器当前的位置、速度、姿态信息传输到任务计算机，并将任务计算机的计算出的协同指令信息回传给飞行控制器，另一方面是在任务计算机内部通过ROS框架实现线程间的便捷通信，实现内部各模块之间的信息交互；机间通信实现多机协同，通过机间通信获取到其他无人机当前的位置、速度、姿态信息，从而实现整个编队之间的信息贡献；D集群飞行管理和控制系统：无人机的控制采用双层的架构，顶层的任务计算机由群集运动模型计算出的控制指令，底层为无人机的自动驾驶仪；顶层任务计算机上的功能分为两大部分，分别为群集飞行管理和控制系统即基于生物社会力的协调控制器；集群飞行管理包括集群的状态监控，集群的任务管理和规划，以及不同控制模式之间的切换功能，而基于生物社会力的协调控制器，主要计算出无人机的控制指令，发送给自动驾驶仪，以实现集群的协调运动；基于生物社会力的协同运动控制器即飞行控制器Pixhawk将速度、航向角和高度指令发送给自动驾驶仪，从而实现多机之间的协同；对于无人机集群系统而言，通过任务计算机利用邻居个体和自身的状态信息计算出控制指令，发送给自动驾驶仪，实现多机的协同控制。